低温物理学
低溫物理學 (Cryogenics),又稱低溫學,是物理學的一個分支,主要研究物質在低溫狀況下的物理性質的科學,有時也包括低溫下獲得的生成物和它的測量技術。在低溫物理學中的低溫定義為 -150°C( -238°F,即123K)以下的溫度。
19世紀,英國物理學家法拉第在一次實驗中偶然液化了氯氣,他由此認為一切氣體在低溫高壓的情況下都可以被液化。到了1840年代,法拉第本人已經成功液化了當時大多數的已知氣體,只有氧氣、氮氣、氫氣、一氧化碳、二氧化氮及甲烷六種氣體無法液化,而且創出當時的最低溫度( -110°C, 163K)。隨後,低溫設備不斷被改良,逐級降溫和定壓氣體膨脹方法開始廣泛應用。1898年英國物理學家杜瓦成功液化氫氣,標誌著這六種氣體都能夠被液化。1895年,英國化學家從礦石中分離出更難液化的氣體——氦氣。直至1908年,才成功被荷蘭萊頓大學的物理學家海克·卡末林·昂內斯液化,同時令低溫記錄創下新低( -269°C, 4K)。之後,昂內斯獲得1913年的諾貝爾物理學獎。
1911年,昂內斯意外發現以( -268.8°C, 4.2K)的液氦冷卻汞時,電阻突然驟降到接近零歐姆(0Ω),此現象即為超導現象。隨後,他又發現在低溫下鉛、錫也和汞一樣具有相似的超導特性。超導效應的發展前景可觀,如果能使超導材料在室溫下應用,將能大大提高輸電的效能,延長材料使用的壽命,降低熱損耗。近年,物理學家正不斷尋找超導轉變溫度(Tc)更高的超導材料。目前,高溫超導體已經成為凝聚態物理學中最熱門的研究領域。
定義與差別
低溫標準
低溫物理學的英語()源自希腊语,字面意思是“the production of icy cold”,即“冰凍的產物”,又可解作“在低溫狀態”的類義字。但是,仍沒有為低溫定下標準,因而沒有說明需要製冷至幾度才是低溫物理學的範疇。所以,美国国家标准技术研究所(NIST, National Institute of Standards and Technology)製定,溫度必須低於 -180°C,即93.15K,才併入低溫物理學範疇。這溫度介乎於惰性氣體氙與氡的沸點之間。因此,使低溫物理學有特定的標準。
工業應用
工業應用上製造液化氣體,如液態氮及液態氦,其中也會使用到低溫物理學的技術。
参考文献
- 《超流体》/(美)沈星揚著 (1982). - 北京:科学出版社
- Mendelsohn, Kurt (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library.